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什么是3D XPoint?為什么它無人能敵卻又前景堪憂?

作者:陳玲麗時間:2021-05-24來源:電子產品世界收藏

近日,宣布將出售位于猶他州Lehi市的存儲芯片工廠,計劃在2021年底前完成出售,并退出技術業務。這一決定,使得這項新型存儲技術的前景更加黯淡。

本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202105/425827.htm

3D Xpoint技術是共同開發的一種非易失性存儲技術。據悉,3D Xpoint的延遲速度僅以納秒計算,比NAND閃存速度提升1000倍,耐用性也更高,使得在靠近處理器的位置存儲更多的數據成為可能,可填補DRAM和NAND閃存之間的存儲空白。

目前存儲器存在的一些問題

拋開和處理器緊密相關的高速緩存和寄存器不說,先來看內存和外部存儲這兩個級別。目前我們使用的內存主要是DRAM:DRAM的核心問題是易失性,其它方面的表現優秀 —— 比如在性能上DRAM的延遲很低(納秒級別)、帶寬較為充裕;壽命方面由于原理所致,DRAM壽命很長。

不過,DRAM的存儲需要不停供電,斷電就會丟失存儲的數據。從DRAM被發明出來到現在,DRAM只是不斷地在預取值和總線上進行調整,核心的存儲架構其實變化不大。

再來看目前廣泛應用于存儲設備的NAND閃存。NAND閃存分為SLC、MLC、TLC等多種分支顆粒。從壽命上說,NAND是有平均讀寫次數的壽命的,即使是性能最好的SLC NAND顆粒,其壽命也比DRAM小得多。雖然可以通過設置緩沖空間、平衡磨損算法、提前設置壽命預警來確保NAND不會在使用時“掉鏈子”、引發數據丟失,但壽命依舊是NAND在使用中不可回避的問題。

此外,受制于存儲原理,NAND延遲較高,尤其是寫入時存在充電時間,怎么也快不起來,目前只能被用作外部存儲設備。但在今天,由于之前有性能更低的HDD機械硬盤的存在,基于NAND顆粒的SSD仍舊讓用戶感受到了性能的巨大提升。

實際上內存和外部存儲之間的性能差距過大,已經成為影響用戶體驗繼續提升的瓶頸。所以研究機構一直在提出很多解決方案,試圖解決這個鴻溝,比如相變存儲器、賽道存儲器、全新的高速磁存儲設備等。直到作為存儲業界的領軍企業之一的和美光,終于將其中一種全新的存儲技術推向了前臺,這種技術同時擁有高性能和非易失性兩種特性,這就是今天的主角:

3D Xpoint技術發展歷程

美光與于2006年開始合作研發。猶他州Lehi工廠也是美光與英特爾于2006年開始合作后建設的。然而,這項新型存儲技術一路行業波折不斷。歷經10年的研發周期后,英特爾與美光于2016年正式發布3D Xpoint技術。

2017年,英特爾推出基于3D Xpoint的存儲設備傲騰系列。2018年,由于對下一代技術的發展認識不一致,美光與英特爾達成協議,在完成第二代3D Xpoint的開發后結束在3D Xpoint上的合作,各自開發基于3D Xpoint 技術的第三代產品。2019 年,美光購買了英特爾在Lehi工廠的股份,英特爾與美光簽署代工協議在Lehi工廠生產。但是英特爾的傲騰系列并不足以充分利用Lehi工廠的產能,美光每年的非GAAP運營利潤要因此遭受超過4億美元的損失,使得美光最終決定出售該廠。不過,美光仍將保留其手上與3D XPoint相關的所有知識產權。

回顧存儲的發展歷程,3D Xpoint是自NAND Flash推出以來,最具突破性的一項存儲技術。由于具備以下四點優勢,3D Xpoint被看做是存儲產業的一個顛覆者:

· 比NAND Flash快1000倍

· 成本只有DRAM的一半

· 使用壽命是NAND的1000倍

· 密度是傳統存儲的10倍

3D XPoint工作原理

3D XPoint工作原理和NAND有本質不同。和NAND相比,NAND通過向絕緣浮柵壓入一定數量的電子從而區分比特值,3D XPoint是基于阻抗的技術,通過大量屬性的變化去改變單元的阻抗值,以此來區分0和1。3D XPoint的結構非常簡單,其由一個選擇器(selector)和一個存儲單元組成,兩者位于一根Wordline和Bitline之間(Crosspoint由此得名)。

在Wordling和Bitliane上加載一個特定電壓值就激活了一個選擇器,使得其中的存儲單元做一個寫操作(即在單元介質大量的屬性改變)或讀操作(允許電流通過,檢查存儲單元的阻抗值代表高或低)。

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3D XPoint工作原理示意圖

當下業界普遍將希望寄托在EUV身上,而英特爾與美光則稱3D XPoint將(不出所料)兼容EUV光刻,而且存儲單元設計尺寸可以最大縮水至個位數納米級別,同時不會對使用幫助/可靠性造成顯著影響(事實上,隨著物理尺寸的下降,其在某些方面反而有所改善)。

不過在未來幾年內,恐怕仍然無法利用EUV實現批量化生產。首批EUV生產的主要重心也將放在邏輯層面,這一方面是因為其設備成本實在太過高昂,另一方面也是因為邏輯無法像記憶體般進行垂直綻放、因此可能導致散熱問題。
從理論層面講,3D XPoint也支持多層單元設計,但英特爾與美光雙方目前并不打算追求這條路線。雖然在實驗室當中實現多個電阻層級并不是件太難的事,但其實際難度還是要遠遠高于保證生產的數萬片晶圓當中、每個晶粒都具備必要的特性以實現雙層單元操作。
了解了3D XPoint的基本工作原理,看起來似乎很簡單。但實際情況遠遠比上文描述的復雜。尤其是特殊的電壓差和特定的材料,目前尚沒有第三家廠商掌握其中的原理。

3D XPoint技術的“定位”

據英特爾給出的說法是,3D XPoint并不是用于徹底替代DRAM和NAND的技術,它的定位是計算機存儲中的一個新的層級,可以在不同的應用領域增強目前的存儲結構體系。

從英特爾給出的延遲數據來看,3D XPoint產品的讀取延遲大約在10納秒級別(寫入延遲更長一些),和DRAM最低可達幾納秒還存在一點點差距,但遠遠好于NAND的微秒級別;壽命方面,3D XPoint的壽命約為百萬級讀寫次數,相比NAND中MLC的數千次讀寫提升了幾個數量級,當然,和DRAM還是沒法比;帶寬方面,多通道技術的應用使得3D XPoint在帶寬上并不存在什么劣勢。

在英特爾的官方宣傳中,3D XPoint擁有NAND類似的容量和DRAM類似的性能。包括比NAND速度快(應該是指延遲低)1000倍以上,壽命是NAND的1000倍以上,數據密度則達到了DRAM的十倍以上。

英特爾認為,這樣的性能可以讓用戶根據不同的需求來選擇新的存儲系統組合,比如可以選擇組成DRAM+3DXPoint+NAND三級存儲系統,或者是3D XPoint接管DRAM+NAND,亦或者組成DRAM+3D XPoint的方案,甚至也可以是3D XPoint+NAND的系統,不同方案的成本、側重點和性能都有所不同,結局是開放性的,并沒有氣勢洶洶地取代誰,而是根據市場選擇來搭配合適的方案。

一般來說,一個產品的市場定位是由其在市場中所處的性能位置所決定的。目前3D XPoint的性能定位在DRAM之下、NAND之上,但是更偏向于DRAM,因此也應該具有類似的市場定位。考慮到目前DRAM的價格,可以說3D XPoint的價格應該不會太便宜。

另一方面,英特爾自己也有龐大的NAND工廠和不小的市場份額,3DXPoint無論從技術上還是商業利益上來看,都不會在目前這個時候去搶NAND的飯碗。而如果從企業級和消費級來劃分,按照慣例,產品成熟后,英特爾顯然會更傾向于將這一新技術首先運用于面向利潤較高的企業級產品中。

3D XPoint技術的應用

得益3D Xpoint技術的自身優勢,它能被廣泛應用在游戲、媒體制作、基因組測序、金融服務交易和個體化治療等領域。下面介紹3D Xpoint的一些應用示例,我們可以看出,3D Xpoint未來的應用非常有潛力。

· 3D XPoint最直接的應用將是作為DRAM和SSD之間的中間層:在計算機歷史中,在存儲器和處理器間構建了許多中間層、比片上緩存、片下緩存、緩存SSD等,3D XPoint內存作為存儲介質很適合這個分層結構,可以填補DRAM和現今最快速的非易失性存儲之間的空白。當作為另一層緩存,3D XPoint可以進一步加速目前受限于容量或者存儲器延遲的應用。

· 使用3D XPoint的服務器:英特爾和美光迫不及待地指出了這個技術在“大型科學”上的應用,此類項目和系統有大型強子對撞機和Oak Ridge公司的Titan超級計算機,這些設備會產生巨量的數據。然而處理器遇到了麻煩,如何處理所有這些的數據是首要和最重要的需求,把數據傳給處理器同樣也是大問題。如果獨立處理器可以像訪問DRAM那樣訪問SSD級別容量的數據池,任何收益于此機制的分析系統都可以從3D XPoint獲益。

· 金融行業可能會率先采用3D XPoint:因為金融行業最傾向于使用重要的技術,以使得自己在高度競爭和賺錢的領域中占據領先。從這個角度而言,3D XPoint倒不會增加太多處理速度,數據處理工作已經盡可能部署到大容量DRAM池中了,但是3D XPoint可以讓交易員和分析師更高效地運行大數據集模擬程序。

由于3D XPoint是一個前所未有的技術,不可能一次想到所有將來3D XPoint的潛在應用。3D XPoint有潛力改變現代計算機體系架構和我們看待計算的方式,但這種轉換并非一夜之間,可能也需要其他廠商有相應的競爭技術去滿足需求。然而很明確的一點是,3D XPoint很可能會把我們帶入內存和計算的一個新時代。

3D XPoint技術還有很多可以咀嚼消化。盡管DRAM和NAND在幾十年中已經改進并縮小了很多,但3D XPoint的發布仍然算得上是自1989年發明NAND以來存儲行業前所未有的大事件。3D XPoint實際上是一個全新種類的存儲器。其速度快,耐用,可擴展并且非易失,而DRAM和NAND各自只能達到其中兩個標準。3D XPoint填補了DRAM和NAND之間的空白,利用這兩種技術最佳的特性創造出了我們從未見過的一種內存。

3D XPoint尚需克服的技術難點

美光決定退出3D Xpoint,與該技術的商業化進程不佳有著重要關系。據悉,目前只有英特爾的傲騰系列采用3D Xpoint技術。美光曾公布了幾款基于3D XPoint閃存芯片的存儲設備,例如X100,但一直沒有正式上市。此外,3D Xpoint一直沒能成功建立起完善的產業生態。美光公司首席商務管蘇米特·薩達納在接受媒體采訪時曾表示,很多客戶對X100并不滿意,因為他們必須重寫大部分軟件才能利用新型內存,因此該款產品發售數量非常有限。

未來,3D Xpoint技術將會如何發展頗為引人關注。據悉,英特爾將在新墨西哥州的晶圓廠中為自己的傲騰產品線生產3D XPoint芯片。雖然英特爾已經將NAND閃存業務出售給了SK海力士,但仍可能接盤美光Lehi工廠以保證自己產品線的供應。畢竟英特爾在數據中心等企業產品線中仍然提供使用3D XPoint技術的相關產品。但是,如果3D Xpoint僅僅停留在這種商業化程度,這項新型存儲技術的前景依然不夠明朗。

目前,3D XPoint想要大規模量產仍有一些挑戰需要克服。首先,3D XPoint需要用到大約100種新的制造原料。在這些原料中,有些原料目前的供應量非常有限,因此需要仔細調整供應鏈。

其次,由于3D Xpoint需要更多道工序,加工廠需要把廠房用地以及初始資本增加大約3到5倍。例如,生產第一代3D XPoint內存需要占地2.5平方米的濕加工設備能在每小時處理180塊晶圓,而到了第二代3D XPoint就需要占地相同的設備每小時處理1000塊晶圓,3D XPoint加大了加工廠對于廠房和資本的需求。另外,3D XPoint也需要生產力更強的設備。

以上的挑戰都增加了3D XPoint的成本。然而,對于3D XPoint市場,成本是關鍵。第二代3D XPoint可以實現四層層疊,而其售價大約是DRAM的一半。從目前的市場趨勢來看,如果3D XPoint的成本沒法做到DRAM的一半以下,消費者會更傾向于使用DRAM而不是3D XPoint。由于DRAM仍保持著每年大約30%的成本下降速度,3D XPoint想要保持成本比DRAM低一半的難度并不小。

除了3D XPoint自身的技術難點外,來自于其他新內存技術的挑戰也不容小覷。

例如,軟件NVDIMM-P就是一個有力的挑戰者。軟件NVDIMM-P使用軟件算法來預測數據的訪問頻率,并依據訪問頻率的預測把數據存放到DRAM(存放高訪問頻率數據)或NAND(訪問低訪問頻率數據)中。這樣的技術可以平衡成本和性能,因為DRAM訪問速度較快但是成本高,而NAND成本低存儲密度大但是訪問速度較慢。顯然,軟件NVDIMM-P的綜合性能取決于軟件算法和應用場合,在有些應用中軟件NVDIMM-P算法的預測準度較高但是在另一些應用中數據的訪問頻率卻很難預測。

3D Super-NOR也非常有潛力。3D Super-NOR技術使用3D堆疊技術并能提供很低的延遲。而且,3D Super-NOR的制造工藝相比3D XPoint來說要簡單,并不需要新材料。3D Super-NOR的制造商BeSang宣稱3D Super-Nor可以實現成本比3D XPoint低十倍,當然我們仍然需要等3D Super-NOR真正量產才能驗證它能否取代3D XPoint。

3D XPoint的市場潛力巨大,然而其復雜的制造工藝導致成本居高不下,在近期3D XPoint仍然很難取代DRAM。但我們應該保持樂觀的態度。



關鍵詞: 3D XPoint 美光 英特爾

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